在物理教學(xué)中強(qiáng)化科學(xué)方法的教育

蔡景生

新一輪高中教育改革是在科技迅猛發(fā)展，知識(shí)日新月異，科技競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的今天，教育有識(shí)之士認(rèn)識(shí)到，學(xué)生能力表現(xiàn)比掌握知識(shí)多少和熟練程度更加重要而提出來(lái)的。因此，物理教學(xué)中既應(yīng)該讓學(xué)生掌握物理學(xué)的概念和規(guī)律，更應(yīng)該讓學(xué)生重視科學(xué)的態(tài)度和科學(xué)的方法。

所謂科學(xué)方法，是研究自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的一般規(guī)律性理論。在中學(xué)物理教學(xué)中，科學(xué)方法教育的內(nèi)容有：一是物理學(xué)的研究方法的教育；二是物理學(xué)習(xí)方法的教育。在物理教學(xué)中，教師在完成傳授知識(shí)的同時(shí)，有意識(shí)、有目的的進(jìn)行科學(xué)方法教育和指導(dǎo)，有利于促進(jìn)學(xué)生智能的發(fā)展，培養(yǎng)科學(xué)的態(tài)度，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中不僅掌握了物理知識(shí)本身，而且掌握了研究和學(xué)習(xí)物理的方法，以及探索物理的精神。

一、在物理知識(shí)的教學(xué)中滲透方法教育

科學(xué)方法教育既需要潛移默化的熏陶，也需要有目的的訓(xùn)練。脫離物理知識(shí)對(duì)中學(xué)生大講科學(xué)方法，則猶如建設(shè)空中樓閣；埋頭講物理知識(shí)而不注意方法教育，則猶如給學(xué)生一堆磚瓦。因此，科學(xué)方法教育應(yīng)滲透在物理知識(shí)教學(xué)之中，只有根植于物理知識(shí)沃土之中的科學(xué)方法教育，才會(huì)結(jié)出豐碩的智慧之果。在物理知識(shí)的教學(xué)中，處處蘊(yùn)涵著科學(xué)方法。物理概念、物理規(guī)律的建立常常運(yùn)用觀察和實(shí)驗(yàn)、比較和分類、分析和綜合、數(shù)學(xué)和推理、理想化等科學(xué)方法。如在概念教學(xué)中，將電勢(shì)能和重力勢(shì)能類比、在洛侖茲力教學(xué)中，由安培力演繹出洛侖茲力，學(xué)生很容易接受；在牛頓第二定律、玻一馬定律、楞次定律等規(guī)律的教學(xué)中，常采用觀察和實(shí)驗(yàn)、數(shù)學(xué)推理的方法來(lái)研究。如“電磁感應(yīng)”的教學(xué)就是對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)方法訓(xùn)練的好例子，可將教學(xué)過(guò)程組織為較完整地體現(xiàn)科學(xué)研究一般方法的過(guò)程，使學(xué)生受到科學(xué)方法的訓(xùn)練。具體做法如下：

(1)初步的觀察實(shí)驗(yàn)

觀察閉合電路的部分導(dǎo)體做切割磁力線的運(yùn)動(dòng)，回路中產(chǎn)生電流的現(xiàn)象。

(2)提出猜想

介紹法拉第電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)，分析、猜想變化的磁場(chǎng)才能產(chǎn)生感應(yīng)電流。

(3)再次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

按教材完成實(shí)驗(yàn)

(4)總結(jié)規(guī)律

再次分析上述各個(gè)實(shí)驗(yàn)，得出產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件。

這樣，在傳授知識(shí)的同時(shí)，使學(xué)生感受科學(xué)方法在建立概念、發(fā)現(xiàn)規(guī)律中的作用，激發(fā)學(xué)生自覺的學(xué)習(xí)和運(yùn)用科學(xué)方法解決實(shí)際問題的積極性。

二、重視物理學(xué)史，體會(huì)科學(xué)方法

高中物理課改目的之一，是把科研人員應(yīng)具有的素質(zhì)和能力早一些對(duì)學(xué)生進(jìn)行培養(yǎng)和訓(xùn)練，使教和學(xué)的思路去盡量接近科學(xué)家認(rèn)識(shí)的思路。這就要求我們將物理教學(xué)和物理學(xué)史結(jié)合，當(dāng)然教學(xué)過(guò)程不同于科學(xué)研究過(guò)程，但在必要時(shí)，結(jié)合重要的物理史料用模擬科學(xué)認(rèn)識(shí)過(guò)程的方法進(jìn)行物理教學(xué)，這也是物理教學(xué)實(shí)質(zhì)性改革的途徑和方向，是實(shí)現(xiàn)上述教學(xué)目的，培養(yǎng)創(chuàng)造型人才的一個(gè)有效途徑。模擬科學(xué)認(rèn)識(shí)過(guò)程的方法，就是讓學(xué)生遵循前人科學(xué)發(fā)現(xiàn)和發(fā)明的思路來(lái)學(xué)習(xí)，學(xué)會(huì)科學(xué)研究的方法。這就要求我們將物理學(xué)史溶于物理教學(xué)之中，，將科學(xué)方法教育溶于物理學(xué)史教學(xué)之中。具體地講就是善于把學(xué)生推到若干年前，讓他們從當(dāng)時(shí)的科學(xué)背景出發(fā)去重溫科學(xué)家們?cè)谑裁磫栴}上、什么環(huán)節(jié)中、什么情況下、用什么方法和思路作出了科學(xué)發(fā)明和發(fā)現(xiàn)，從而把這些關(guān)鍵的步驟聯(lián)系起來(lái)。

在“自由落體”教學(xué)中，首先應(yīng)闡明：歷史上，伽利略首先通過(guò)落體佯謬的思想進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，否定亞里斯多德的物體越重下落越快的結(jié)論；然后運(yùn)用數(shù)學(xué)工具得出初速為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)s/t²=常量；進(jìn)而用斜槽實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證物體從光滑斜面下滑的運(yùn)動(dòng)是符合s/t²=常量的規(guī)律；最后將斜面實(shí)驗(yàn)推廣，得出結(jié)論：落體運(yùn)動(dòng)是初速為零的勻加速運(yùn)動(dòng)。伽利略之所以敢于首先用一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)批判亞里斯多德的學(xué)說(shuō)，是因?yàn)樗堰M(jìn)行過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)研究，他曾多次觀察過(guò)從同一高度同時(shí)下落的輕重不同的物體(如兩個(gè)球體或兩塊石頭等)的下落情況。伽利略認(rèn)為自然界“總是習(xí)慣于運(yùn)用某種最簡(jiǎn)單最容易的手段”這一哲學(xué)思考，使他大膽猜想自由落體運(yùn)動(dòng)是勻加速運(yùn)動(dòng)，他的關(guān)于落體的全部研究都是為了確證這一猜想而進(jìn)行的。他的研究方法是觀察——假設(shè)猜想——數(shù)學(xué)推理——實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證——合理外推。他對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究，開創(chuàng)了研究自然規(guī)律的科學(xué)方法，這就是“抽象思維，數(shù)學(xué)推導(dǎo)，科學(xué)實(shí)驗(yàn)”相結(jié)合的方法，對(duì)科學(xué)研究起到了重大的啟蒙作用。極大地推動(dòng)了物理學(xué)發(fā)展，是人類物理思想上最偉大的成就之一。然后引導(dǎo)學(xué)生重做伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)方法的理解。

三、加強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)科學(xué)探究

科學(xué)探究活動(dòng)的基本模式為：以物理實(shí)驗(yàn)(制作)為載體，形成探究的情景，發(fā)現(xiàn)并提出問題，探究問題(見圖1)。在活動(dòng)中，我們緊貼課本，選取課本中的一些實(shí)驗(yàn)或小制作作為載體，精心設(shè)計(jì)和詳盡準(zhǔn)備；活動(dòng)中，教師適當(dāng)引導(dǎo)，讓學(xué)生從中發(fā)現(xiàn)問題，并開展科學(xué)探究活動(dòng)。

這是一個(gè)比較簡(jiǎn)單的制作(在制作時(shí)，截取打點(diǎn)滴用較長(zhǎng)的塑料管代替玻璃管，用木板固定，效果較好)。學(xué)生制作“空氣溫度計(jì)”后，自然會(huì)提出幾個(gè)問題：“沒刻度怎樣用，怎樣為它畫刻度?它是怎樣反映溫度的變化的(原理是什么)?”在和學(xué)生探討它的工作原理后，我就讓學(xué)生自己通過(guò)討論，探究怎樣為“空氣溫度計(jì)”定刻度，原理是什么?步驟怎么樣?(類比液體溫度計(jì)的刻度確定)然后再去做。做好之后，大家都把作品放在教室，在以后的幾天里，與寒暑表對(duì)照，讓他們看看誰(shuí)的“空氣溫度計(jì)”準(zhǔn)確些。當(dāng)然，空氣溫度計(jì)的液柱高低不但與氣溫的高低有關(guān)還與空氣的濕度等有關(guān)；在觀察中同學(xué)們都發(fā)現(xiàn)了其中的問題，我又引導(dǎo)他們分析，查找有關(guān)資料，指出“空氣溫度計(jì)”的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，以及其他的用途(如用“空氣溫度計(jì)”測(cè)量了教學(xué)樓的高度)。和“空氣溫度計(jì)”一樣，其實(shí)很多的物理小制作都蘊(yùn)涵著不少的知識(shí)，只要我們跨出第一步，前面就有極為廣闊的空間。

案例二：電流表構(gòu)造的探究

在學(xué)習(xí)電學(xué)時(shí)，不少的同學(xué)對(duì)電流表、電壓表的構(gòu)造很好奇，提出問題和要求：“電流表、電壓表是怎樣測(cè)量電流、電壓的?能否拆開來(lái)看看!”好的電表拆了可惜；但是，學(xué)校里每年都有一些損壞的電表，積累下來(lái)數(shù)量也不少。雖然該課題有點(diǎn)超出學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)水平，但為了不破壞同學(xué)們的好奇心，我還是把這些廢表拿出來(lái)，讓他們探究“電流表、電壓表”的結(jié)構(gòu)與工作原理。把電流表、電壓表拆開，指導(dǎo)他們觀察表的元件、結(jié)構(gòu)與電路，分析、記錄表里的電路連接情況，比較兩者的異同。

在這個(gè)科學(xué)探究活動(dòng)中也有一個(gè)很大的意外發(fā)現(xiàn)和收獲：原來(lái)這部分“廢表”中一部分的“表心”(靈敏電流計(jì))還是好的。于是，我就組織學(xué)生把部分電表多余的部分去掉，只留下“表心”和兩個(gè)接線柱，就改裝成“靈敏電流表”。一共改裝了二十多個(gè)，足夠用于“電磁感應(yīng)現(xiàn)象”的探究實(shí)驗(yàn)。有同學(xué)也提出，電壓表里面的電路是串聯(lián)，將電壓表改裝為“靈敏電流表”也很簡(jiǎn)單，在表里多接一根線出來(lái)就行了。不少同學(xué)用著自己動(dòng)手制成的器材做實(shí)驗(yàn)，感到很自豪與成功，十分投人，科學(xué)探究活動(dòng)收到良好的效果。

四、巧妙設(shè)計(jì)習(xí)題，訓(xùn)練科學(xué)方法

科學(xué)方法教育的目的在于發(fā)展學(xué)生分析和解決問題的能力。實(shí)踐表明：教師生動(dòng)精辟的講述，學(xué)生對(duì)于知識(shí)只能達(dá)到理解的水平，要達(dá)到運(yùn)用的水平，就非要經(jīng)過(guò)學(xué)生本人參與分折解決新問題的實(shí)踐不可。因此，教師要?jiǎng)?chuàng)設(shè)情景，強(qiáng)化習(xí)題教學(xué)和訓(xùn)練，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)方法解決具體的物理問題，使學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識(shí)向能力的轉(zhuǎn)化。

在習(xí)題教學(xué)中進(jìn)行科學(xué)方法教育，主要是進(jìn)行思維方法的訓(xùn)練，提高思維能力和分析解決問題的能力。因此，教師要站在科學(xué)方法論的高度，認(rèn)真研究題型、分析歸類、精選典型例題和習(xí)題，對(duì)學(xué)生進(jìn)行邏輯思維與非邏輯思維、集中思維與發(fā)散思維、正向思維與逆向思維、局部思維與整體思維、類比思維與聯(lián)想思維等專項(xiàng)訓(xùn)練。在教學(xué)中有些習(xí)題明顯要運(yùn)用科學(xué)方法來(lái)求解，教師要點(diǎn)明這種科學(xué)方法，讓學(xué)生學(xué)會(huì)這種方法的應(yīng)用。如習(xí)題：一半徑為R的光滑豎直圓軌道固定在水平地面上，并與水平地面相切，小球從軌道上距離桌面h(h<(R)高處由靜止釋放，求小球經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間到達(dá)軌道的底端。這個(gè)題要和單擺相類比，用單擺知識(shí)來(lái)求解時(shí)間。在教學(xué)中要點(diǎn)明此題用類比方法，讓學(xué)生在解題中體會(huì)到方法的重要性。又如習(xí)題：斜面A放在水平地面上，物塊B放在斜面上，有一水平力F作用在B上時(shí)，A、B保持靜止。A受到水平地面的靜摩擦力為f1，B受到A的靜摩擦力為f2，現(xiàn)使F漸增大，但仍使A、B處于靜止?fàn)顟B(tài)，問f1、f2大小怎樣變化?此題討論f1的太小變化時(shí)要用到整體思維的方法，討論尼的大小變化時(shí)要用到局部思維的方法。

總之，在物理教學(xué)中有意識(shí)地加強(qiáng)科學(xué)方法教育。是實(shí)現(xiàn)學(xué)生增長(zhǎng)知識(shí)、發(fā)展能力、提高素質(zhì)的一個(gè)有效途徑。